諧波抑制的工程設計方法探討

流向電網的諧波電流IS和母線的諧波電壓VB可表示為：

IS=InZL/(ZS＋ZL）

VB=ISZS(2)

式中：IS為注入電網的諧波電流；

In為諧波電流；

VB為諧波電壓；

ZS為電網阻抗；

ZL為電網負載阻抗。

該式表明，當電網阻抗(ZS)一定時，相對減小系統負載阻抗(ZL)，就可以減小流向電網的諧波電流和母線的諧波電壓（電壓畸變）。諧波干擾取決于流向電網的諧波電流或電壓畸變的大小。抑制諧波的目的，就是要降低流向電網的諧波電流。

因此，可以采取以下兩種措施：

（1）對于電力系統，設置諧波低阻抗的分流電路，從而減小負載阻抗ZL，降低注入電網的諧波電流IS；

（2）提供逆相位的諧波，以抵消非線性負荷所產生的諧波電流In，達到消除諧波的目的。

前者稱為被動式濾波器，即常用的LC濾波器；后者稱為能動式濾波器，即有源濾波器。

4LC濾波器的設計

LC濾波器是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網。根據其電容器與電抗器的聯接方式不同，主要常用的有單調諧濾波器和高通濾波器。它們的結構和阻抗特性如圖2、圖3所示。

單調諧濾波器的諧振次數和品質因數分別為：Qn=XLn/Rfn(3)

諧波阻抗為：

Zfn=Rfn＋j(nXL1－XC1/n)≈Rfn(1＋j2δQn)(4)

上二式中：XC1為電容器組的基波容抗；

XL1為電抗器的基波感抗；

XLn為電抗器在n次諧波時的感抗；

Rfn為濾波器在n次諧波時的電阻；

δ為電網角頻率相對偏差。

由于系統頻率的波動、濾波電容器及電抗器有關參數制造時的偏差、電抗器的調節偏差，以及環境溫度和負荷的變化，濾波器的實際諧振頻率可能與其設計值不完全相同，即在偏離設計值的一定范圍內變化。一般情況下，單調諧濾波器在Qn=1/2δ時有最好的濾波效果，即注入電網的諧波電流最小。

圖4LC濾波器的典型構成

由圖2(b)可知，單調諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關系。Qn越大，曲線越尖銳，但越容易失諧，濾波效果下降越快；Qn過小時，濾波效果在較大范圍內變化不大，但效果較低，此時損耗也較大。所以，Qn和δ的確定要經過多種方案比較，并兼顧各個指標后選取。

對于高通濾波器，由于其電抗器L與電阻R并聯，有一個較低的阻抗頻率范圍。當頻率低于某一截止頻率f0（fO=1/2πRC）時，由于容抗增加使濾波器阻抗明顯增加，低次諧波電流難于通過；當頻率高于f0時，由于容抗不大，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。

與單調諧濾波器相反，其品質因數Qn=Rfn/XLn。這是因為在高通濾波器中，電阻R與電抗器L并聯，電阻越大，調諧越尖銳；而在單調諧濾波器中，電阻R與電抗器L串聯，電阻越小，調諧越尖銳。但無論是單調諧濾波器還是高通濾波器，品質因數是標志調諧銳度的指標。對于高通濾波器，Qn值一般取1～5。由圖3(b)可以看出，即使在調諧頻率附近，頻率偏差也影響不大。

高通濾波器截止頻率應選擇靠近要濾的主要諧波，否則其損耗將大大增加。

對于某次諧波，要達到同樣的濾波效果，采用單調諧濾波器將大大減小容量，但高通濾波器有綜合濾波功能，它可以同時濾除若干次高次諧波，減少濾波電路數。因此，在濾波方案選擇時，對于主要的諧波，宜用單調諧濾波器；而對若干較高次諧波，且諧波電流值不大，宜選用一組高通濾波器。當結合所需無功補償容量考慮時，許多情況下，用幾組單調諧濾波器加一組高通濾波器是比較經濟可行的方案。

如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構成。

由式(2)可知，LC濾波器的濾波效果取決于電源阻抗和濾波器內部阻抗的相互關系，由于濾波器并聯在電路中，其本身就是阻抗因素，容易受電源已有高次諧波畸變的影響。因此，在設計時應充分考慮以下幾方面因素：

(1)電源的阻抗條件。根據系統接線，變壓器參數或擬裝設濾波器處母線電壓及短路容量，計算系統的諧波阻抗；電網頻率波動范圍和濾波電容器及電抗器的調節偏差等因素構成的等值頻率偏差；

(2)在工頻范圍內，濾波器和電容器有著相同的功能，協調系統的超前相位容量，從而有效減小濾波器容量，降低濾波器造價；電網已有高次諧波電壓對濾波器可能造成的過載影響；變流器負載所產生的高次諧波量，確定濾波器的定額；